二维光幕破片动能测试系统设计
摘 要：针对飞行破片目标多、速度快、体积小以及测试环境中光强高、电磁干扰强的测试难点，设计一种非接触式的二维光幕破片动能测试系统。系统以现场可编程门阵列（FPGA）作为核心控制器，利用高精度ADC与NAND Flash存储器采集并存储相互正交的光幕传感器的输出信号，并将数据通过USB接口回读到上位机进行分析，提取出破片的速度与体积信息，进而得到破片的动能。最后通过气枪弹实验对系统进行测试，结果表明：该方案解决传统一维光幕测试系统只能测量旋转对称破片动能的问题，利用二维正交光幕有效地测量非旋转对称破片的动能信息，具有一定的实用价值和应用前景。
关键词：破片动能；二维光幕；现场可编程门阵列；非旋转对称
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0093-05
0 引 言
弹药最主要的目的是实现对目标的高效毁伤，其中破片的杀伤是最主要的毁伤方式，飞行破片的动能是评估毁伤能力的主要参数[1]。由于破片战斗部的壳体材料在爆炸过程中的瞬态非常复杂，且随着新型兵器向精确打击、高效毁伤方向的发展，对破片战斗部毁伤能力的测量要求也越来越高[2-3]。早期的多普勒雷达测量、高速摄影测量以及网靶测量等测量手段已经逐渐不能满足复杂环境下高精度的测量要求。随着光幕传感器精度的不断提高，以及凭借其抗干扰能力强、测量目标多的优点，使得通过光幕测量破片群的动能成为可能[4-5]。近年来，国内外学者对测量方法的研究正在由一维光幕向多维光幕发展，文献[6]和文献[7]均提出了由多维光幕测量弹丸飞行参数的方法，通过光幕靶摆放的位置和方位建立数学模型，可以准确地测量穿靶物体的飞行参数，这种测量方法已经在许多靶场测试中得到了应用。
本文利用光幕传感器以及FPGA对二维光幕破片动能测试系统进行了设计，同时利用上位机分析和处理所采集到的数据，实现了对飞行破片动能的有效测量。
1 二维光幕测量原理
要测量破片的动能，不仅需要测量破片的速度，还需要测量破片的体积。通过测量飞行破片经过两个光幕靶的时间可以得到破片的速度信息；通过分析相互正交的两个光幕传感器的输出数据可以得到破片的体积信息[8]。
1.1 速度测量方案
系统采用区截测速原理对破片速度进行测量，区截装置由两个光幕靶组成[9-10]。分别记录飞行破片通过两个光幕靶的时间，计算其差值，依据公式：
便可计算出破片经过两个光幕靶时的平均速度，即该区域中点的瞬时速...
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